5 BAB II TEORI PENUNJANG 2.1 Perangkat Keras
Perangkat keras merupakan gabungan dari beberapa komponen kecil yang disatukan untuk menjadi suatu perangkat utuh untuk keperluan tertentu dan mengambil data dengan variabel atau parameter yang berbeda, maka di sub bab ini akan dibahas komponen pemdukung dalam membangun rangkaian penerapan sistem smart grid dalam instalasi listrik rumah.
Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 adalah sebuah board arduino yang menggunakan IC Mikrokontroler 2560. Board ini memiliki Pin I/O yang relatif banyak, 54 digital Input / Output, 15 buah di antaranya dapat digunakan sebagai output PWM, 16 buah analog input, 4 UART (port serial). Arduino Mega 2560 di lengkapi kristal 16 Mhz, koneksi USB, adaptor listrik, header ICSP, dan tombol reset[7].
Gambar 2.1 Tampilan Arduino Mega 2560 (Sunber :https://andalanelektro.id/2018/08/mengenal- arduino.html)
6
Tabel 2.1 Ringkasan Spesifikasi Arduino MEGA 2560
No Nama Keterangan
1. Mikrokontroler ATMega2560
2. Tegangan Operasi 5V
3. Tegangan Input 7-12V
4. Batas Tegangan Input 6-20V
5. Pin Digital I/O 54 (15 pin output PWM)
6. Pin Analog Input 16 pin
7. Arus DC per pin I/O 40 Ma
8. Arus DC pin 3.3V 50 mA
9. Flash Memory 256 KB (8 KB Bootloader)
10. SRAM 8 KB
11. EEPROM 4 KB
12. 16 Clock Speed 17 MHz
Arduino Mega dapat diaktifkan melalui koneksi USB atau dengan catu daya eksternal. Sumber daya dipilih secara otomatis. Sumber daya eksternal (non-USB) dapat berasal baik dari adaptor AC-DC atau baterai. Adaptor dapat dihubungkan dengan mencolokkan steker 2,1 mm yang bagian tengahnya terminal positif ke jack sumber tegangan pada papan. Jika tegangan berasal dari baterai dapat langsung dihubungkan melalui header pin Gnd dan pin Vin dari konektor POWER
Papan Arduino ATmega2560 dapat beroperasi dengan pasokan daya eksternal 6 Volt sampai 20 Volt. Jika diberi tegangan kurang dari 7 Volt, maka pin 5 Volt mungkin akan menghasilkan tegangan kurang dari 5 Volt dan ini akan membuat papan menjadi tidak stabil. Jika sumber tegangan menggunakan lebih dari 12 Volt, regulator
7
tegangan akan mengalami panas berlebihan dan bisa merusak papan. Rentang sumber tegangan yang dianjurkan adalah 7 Volt sampai 12 Volt. Pin tegangan yang tersedia pada papan Arduino adalah sebagai berikut:
VIN : Input tegangan untuk papan Arduino ketika menggunakan sumber daya eksternal (sebagai ‘saingan’ tegangan 5 Volt dari koneksi USB atau sumber daya ter-regulator lainnya).
5V : Sebuah pin yang mengeluarkan tegangan ter-regulator 5 Volt, dari pin ini tegangan sudah diatur (ter-regulator) dari regulator yang tersedia (built-in) pada papan. Arduino dapat diaktifkan dengan sumber daya baik berasal dari jack power DC (7-12 Volt), konektor USB (5 Volt), atau pin VIN pada board (7-12 Volt). Memberikan tegangan melalui pin 5V atau 3.3V secara langsung tanpa melewati regulator dapat merusak papan Arduino.
3.3V : Sebuah pin yang menghasilkan tegangan 3,3 Volt. Tegangan ini dihasilkan oleh regulator yang terdapat pada papan (on-board). Arus maksimum yang dihasilkan adalah 50 mA.
GND : Pin Ground.
IOREF : Pin ini pada papan Arduino berfungsi untuk memberikan referensi tegangan yang beroperasi pada mikrokontroler. Sebuah perisai (shield) dikonfigurasi dengan benar untuk dapat membaca pin tegangan IOREF dan memilih sumber daya yang tepat atau mengaktifkan penerjemah tegangan (voltage translator) pada output untuk bekerja pada tegangan 5 Volt atau 3,3 Volt.
Arduino ATmega2560 memiliki 256 KB flash memory untuk menyimpan kode (yang 8 KB digunakan untuk bootloader), 8 KB SRAM dan 4 KB EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan perpustakaan EEPROM).
8
Gambar 2.2 Digital Pin Arduino MEGA 2560
( Sumber: https://www.theengineeringprojects.com/wp-content/uploads/2018/06/introduction-to- arduino-mega-5.png)
Masing-masing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead().
Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima arus maksimum 40 mA dan memiliki resistor pull-up internal (yang terputus
9
secara default) sebesar 20-50 KOhms. Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus, antara lain:
Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1 : 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2 : 17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3 : 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pins 0 dan 1 juga terhubung ke pin chip ATmega16U2 Serial USB-to-TTL.
Eksternal Interupt : Pin 2 (interrupt 0), pin 3 (interrupt 1), pin 18 (interrupt
5), pin 19 (interrupt 4), pin 20 (interrupt 3), dan pin 21 (interrupt 2). Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interupsi pada nilai yang rendah, meningkat atau menurun, atau perubah nilai.
SPI : Pin 50 (MISO), pin 51 (MOSI), pin 52 (SCK), pin 53 (SS). Pin ini mendukung komunikasi SPI menggunakan perpustakaan SPI. Pin SPI juga terhubung dengan header ICSP, yang secara fisik kompatibel dengan Arduino Uno, Arduino Duemilanove dan Arduino Diecimila.
LED : Pin 13. Tersedia secara built-in pada papan Arduino ATmega2560. LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin diset bernilai HIGH, maka LED menyala, dan ketika pin diset bernilai LOW, maka LED padam.
TWI : Pin 20 (SDA) dan pin 21 (SCL). Yang mendukung komunikasi TWI menggunakan perpustakaan wire. Perhatikan bahwa pin ini tidak di lokasi yang sama dengan pin TWI pada Arduino Duemilanove atau Arduino Diecimila.
Arduino Mega2560 memiliki 16 pin sebagai analog input, yang masing-masing menyediakan resolusi 10 bit (yaitu 1024 nilai yang berbeda). Secara default pin ini dapat diukur/diatur dari mulai Ground sampai dengan 5 Volt, juga memungkinkan untuk mengubah titik jangkauan tertinggi atau terendah mereka menggunakan pin AREF dan fungsi analogReference().
Ada beberapa pin lainnya yang tersedia, antara lain:
10
AREF : Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan fungsi analogReference().
RESET : Jalur LOW ini digunakan untuk mereset (menghidupkan ulang) mikrokontroler. Jalur ini biasanya digunakan untuk menambahkan tombol reset pada shield yang menghalangi papan utama Arduino.
Arduino Mega2560 memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi dengan komputer, dengan Arduino lain, atau dengan mikrokontroler lainnya. Arduino ATmega328 menyediakan 4 hardware komunikasi serial UART TTL (5 Volt). Sebuah chip ATmega16U2 (ATmega8U2 pada papan Revisi 1 dan Revisi 2) yang terdapat pada papan digunakan sebagai media komunikasi serial melalui USB dan muncul sebagai COM Port Virtual (pada device komputer) untuk berkomunikasi dengan perangkat lunak pada komputer, untuk sistem operasi Windows masih tetap memerlukan file inf, tetapi untuk sistem operasi OS X dan Linux akan mengenali papan sebagai port COM secara otomatis. Perangkat lunak Arduino termasuk didalamnya serial monitor memungkinkan data tekstual sederhana dikirim ke dan dari papan Arduino. LED RX dan TX yang tersedia pada papan akan berkedip ketika data sedang dikirim atau diterima melalui chip USB-to-serial yang terhubung melalui USB komputer (tetapi tidak untuk komunikasi serial seperti pada pin 0 dan 1.
Sensor Arus TA12-200
Sensor yang digunakan dalam penelitian ini yaitu sensor arus jenis Trafo arus (Current Transformer) TA12-200. Trafo arus adalah jenis "transformator instrumen"
yang memiliki dua lilitan kawat, lilitan primer dan lilitan skunder, Trafo arus dirancang untuk menghasilkan arus bolak-balik dalam gulungan sekundernya yang sebanding dengan arus yang diukur dalam primernya (dalam keadaan normal)[2].
11
Gambar 2.3 Tampilan Sensor Arus TA12-200
(Sunber https://dx.com/p/keyes-fr4-current-sensor-current-measuring-module-for-arduino-red- 2081382.html#.XsYeq2gzbIU:)
Berikut tabel datashett sensor arus TA12-200.
Tabel 2.2 Datasheet Sensor Arus TA12-200
Item Min Normal Max Unit
Transformation ratio - - - -
Input Current Output Current Sampling Resistance
0 0 -
- - 800
5 2.5 800
A mA
Ω
Sampling Voltage 0 - 2 v
Working Frequency 20 - 20K HZ
Nonlinear scale Phase Shift
- -
- -
0.2%
5’
- -
Operating Temperatur -55 - 85 Celcius
Dielectric strength - 6 - KVAC/1min
Sensor ZMPT101B
Sensor ZMPT101B merupakan modul sensor tegangan AC yang menggunakan trafo isolasi dengan rasio tegangan 1:1. Prinsip kerja dari sensor ini adalah dengan menurunkan tegangan masukan menggunakan step down transformator, kemudian dengan masuk ke op-amp dan akan didapat nilai keluaran yang stabil tergantung dari nilai masukannya[3]. Pengukuran tegangan AC dapat dilakukan dengan cara dirubah
12
menjadi DC agar lebih mudah dibaca oleh mikrokontroler. Mikrokontroler yang dilengkapi dengan ADC (Analog to Digital Converter) tidak dapat membaca sinyal negatif, maka dari itu tegangan negatif harus dinaikkan offsetnya menjadi 2,5 V sehingga terdapat perbedaan antara nilai negatif dan positif. Sensor tegangan ZMPT101B telah dilengkapi summing- amplifier sehingga dapat digunakan untuk menaikkan tegangan negatif sehingga baik untuk pengukuran tegangan dengan menggunakan mikrokontroler.
Gambar 2.4 Tampilan Sensor ZMPT101B
(Sunber https://mybookshelvesweb.wordpress.com/2017/09/17/kalibrasi-sensor-tegangan-ac- zmpt101b/)
Sensor tegangan ZMPT101B merupakan komponen yang sesuai jika dihubungkan dengan mikrokontroler karena fungsi sinyal yang akurat. Sensor ini dapat digunakan pada tegangan pengoperasian sebesar 250 VAC dan mengeluarkan sinyal analog yang sesuai untuk dikonversikan menjadi sinyal digital oleh mikrokontroler.
Sensor ini memiliki 4 pin diantaranya pin 1 dan pin 2 untuk input utama dan pin 3 dan 4 untuk output. Sensor tegangan ZMPT101B memiliki isolasi tegangan sebesar 4000V dan bekerja optimal pada suhu 40C sampai 70C. Berikut merupakan Tabel Spesifikasi sensor tegangan ZMPT101B.
13
Tabel 2.3 Spesifikasi Sensor Tegangan ZMPT101B
Nama Keterangan
Model ZMPT101B
Rated input current 2mA
Rated output current 2mA
turns ratio 1000:1000
phase angle error ≤20＇（input 2mA，sampling resistor 100Ω）
operating range 0~1000V 0~10mA（sampling resistor 100Ω）
linearity ≤0.2%(20%dot~120%dot)
Permissible erro -0.3%≤ f ≤+0.2%（input 2mA，sampling resistor 100Ω）
isolation voltage 4000V
application voltage and power measurement
Encapsulation Epoxy
installation PCB mounting（Pin Length>3mm）
Operating temperature -40℃~+60℃
Relay
Relay adalah Saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan komponen Electromechanical (Elektromekanikal) yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet (Coil) dan Mekanikal (seperangkat Kontak Saklar/Switch). Relay menggunakan Prinsip Elektromagnetik untuk menggerakkan Kontak Saklar sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi . Dalam proyek ini saya menggunakan relay empat channel untuk mengontol empat buah lampu[6].
14
Gambar 2.5 Modul Relay 4 channel
Relai dapat digunakan pada saklar (switch) pada rangkaian listrik tegangan tinggi dan juga arus listrik besar yang sesuai dengan spesifikasi relai tersebut. Relai menggunakan logam ferromagnetis yaitu logam yang mudah terinduksi oleh medan elektromagnetis. Logam ferromagnetis menjadi magnet yang bersifat sementara ketika mendapat induksi magnet dari lilitan yang membelit magnet tersebut. Sifat kemagnetan pada logam ferromagnetis akan tetap ada selama kumparan yang melilit dialiri arus listrik, ketika kumparan tidak mendapat suplai arus listrik maka sifat kemagnetan logam menghilang. Berikut merupakan rangkaian dasar relai yang ditunjukkan pada Gambar 2.6
Gambar 2.6 Bentuk Dasar Relai
Dari gambar rangkaian dasar relai di atas dapat dilihat beberapa komponen dasar relai. Berikut merupakan penjelasan dari komponen dasar
15 relai:
a. Spring
Pegas yang berfungsi untuk menarik tuas ke atas dan ke bawah sesuai dengan sifat kemagnetan ferromagnetik. Jika kemagnetan menghilang maka pegas akan menarik tuas keatas begitu juga sebaliknya.
b. Armature
Tuas logam yang naik turun untuk menutup dan membuka kontak saklar. Tuas akan turun jika tertarik oleh kemagnetan ferromagnetik dan akan naik jika kemagnetannya menghilang.
c. Iron Core
Besi yang dipasang untuk menghindari terjadinya hubungan antara arus listrik dari sumber dengan kontak.
d. Electromagnet
Kabel/kawat lilitan yang melilit logam ferromagnetik yang berfungsi magnet buatan yang sifatnya sementara.
e. Switch Contact Poin
Tempat pergantian hubungan kontak dari NO (Normally Open) menjadi terhubung dan sebaliknya dari NC (Normally Close) menjadi terputus.
Catu Daya
Catu daya memegang peranan yang sangat penting dalam hal perancangan sebuah alat. Penentuan sistem catu daya yang akan digunakan ditentukan oleh dua faktor, diantaranya :
1. Tegangan
16
Setiap aktuator tidak memiliki tegangan yang sama. Hal ini akan berpengaruh terhadap desain catu daya. Tegangan tertinggi dari salah satu aktuator akan menentukan nilai tegangan catu daya.
2. Arus
Arus memiliki satuan Ah (Ampere hour). Semakin besar Ah, semakin lama daya tahannya bila digunakan pada beban yang sama.
Tanpa adanya masukan daya maka perangkat tidak dapat berfungsi. Begitu juga apabila pemilihan catu daya tidak tepat, maka perangkat tidak dapat bekerja dengan baik.
Pada perancangan alat ini membutuhkan catu daya sebesar 5V DC (Power Supply 5V DC) yang dihubungkan dengan tegangan AC (Alternating Current atau arus bolak-balik) biasa kita sebut tegangan PLN. Catu daya ini dapat mengeluarkan tegangan DC (Direct Current atau arus listrik searah) yang bisa digunakan pada setiap komponen elektronika, tegangan catu daya ini sebesar 5V DC gunanya untuk memberikan tegangan pada Arduino Mega 2560 dan Relay.
Gambar 2.7 Bentuk Catu Daya 5V DC
( Sumber : www.electron.com/5v-dc-switching-power-supply-mean-well-rs-150-24-p56260/)
Tabel 2.4 Spesifikasi Catu Daya 5V DC
No. Nama Keterangan
1. Input AC 200-240V
2. Output 3 x DC output, 5V DC 10A atau 240Watt
17 3. Setelan Voltase Output +/-5%
4. SLA 10%
5. Efficiency 85%
6. Casing Non-waterproof metal casing
7. Ukuran 20cm x 11cm x 5cm
IC Optocoupler PC817
Optocoupler adalah sebuah komponen semi konduktor atau alat yang terdiri dari LED ( Ligh Emitting Diode ) dan Komponen yang sensitif terhadapat cahaya.
Biasanya digunakan untuk isolasi rangkaian satu ke rangkaian yang lain nya.
Optocoupler juga sering di kenal dengan nama Optical coupler dan opto isolator. Di sebut sebagai Opto isolator karena LED dengan komponen sensitive cahaya terpisah oleh udara, namun dua komponen ini biasa nya di package dalam satu tempat[8].
Dalam tugas akhir ini IC optocoupler PC817 digunakan sebagai pendeteksi kondisi saklar. berikut gambar dari IC optocoupler PC817
18
Gambar 2.9 IC Optocoupler PC817
Dari Gambar 2.9 IC optocoupler PC817 memiliki 4 buah kaki yang terdiri dari anoda, katoda, emitter dan kolekror. Berikut tabel spesifikasi dari IC optocoupler PC817.
Tabel 2.5 Spesifikasi IC Optocoupler PC817
Nama Keterangan
Pin Count 4
Manufacturer Sharp
IRED 1
Forward Current 50mA
Peak Forward Current 1A
Power Dissipation 70mW
Collector Emiter Voltage 80V
Reverse Voltage 6V
Emitter Collector Voltage 6V
Collector curent 50mW
Collector Power Dissipation 150mW
Total Power Disspation 200mW
19 2.2 Perangkat Lunak
Arduino IDE
Software Arduino yang akan digunakan adalah driver dan IDE. IDE diciptakan untuk para pemula bahkan yang tidak memiliki basic bahasa pemrograman sama sekali karena menggunakan bahasa C++ yang telah dipermudah melalui library. IDE Arduino adalah software canggih yang ditulis dengan menggunakan bahasa Java. Software IDE arduino terdiri dari 3 (tiga) bagian:
1. Editor program, untuk menulis dan mengedit program dalam bahasa processing. Listing program pada arduino disebut sketch.
2. Compiler, sebuah modul yang berfungsi mengubah bahasa processing (kode program) menjadi kode biner karena kode biner merupakan bahasa program yang dipahami oleh mikrokontroler.
3. Uploader, sebuah modul yang berfungsi memasukkan kode biner kedalam memori mikrokontroler.
Tampilan ketika Arduino IDE pertama kali dijalankan, maka akan menampilkan tampilan seperti berikut.
20
Gambar 2.10 Tampilan editor Arduino IDE
EAGLE
EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) adalah perangkat lunak untuk mendesain skematik elektronika agar desain skematik yang dibuat lebih tertata dengan rapid an mudah dipahami setiap rangkaian maupun komponennya dapat dibuat secara custom sesuai kebutuhan. Dengan antarmuka yang cukup umum dapat dilihat pada gambar 2.9. EAGLE menawarkan berbagai kombinasi produk dan memungkinkan setiap pengguna untuk memilih konfigurasi yang dapat memenuhi kebutuhan masing-masing pengguna.
Gambar 2.11Eagle V 7.3.0.
Gambar 2.12 Tampilan editor desain skematik.
21
